光场调控及与微结构相互作用研究

项目名称：光场调控及与微结构相互作用研究首席科学家：王慧田南开大学起止年限：2012.1至2016.8依托部门：教育部天津市科委一、关键科学问题及研究内容拟解决的关键科学问题：针对前沿科学问题、关键技术以及国家重大需求，以现有工作积累为基础，集中有限目标、深入开展具有重大科学意义和原始创新的工作。目前，开展激光与相关应用研究，所用激光绝大多数为具有均匀偏振态分布的标量光场。本项目集中深入开展空间结构光场相关研究，不仅具有重大科学意义，而且有望为下一代信息技术的发展提供一条新途径，具有前瞻性和迫切性。光场调控、光场与微结构相互作用以及与电子态耦合的调控，以及在超分辨成像等方面应用的探索是密不可分的一个整体。本项目拟解决的关键科学问题如下：关键科学问题1：空间结构光场的基本问题；光场调控的新原理和新技术光场空域调控涉及偏振态、位相和振幅以及多参量联合调控。尤其是偏振态调控自由度的引入以及新颖动量和角动量的出现，使得空间结构光场具有许多新颖性质。揭示空间结构光场的时空演化规律，发展描述空间结构光场的理论框架。在此基础上，打破单一参量调控的局限，提出多参量联合调控的新原理和新技术。关键科学问题2：空间结构光场的焦场工程；不同空间尺度光场与微结构相互作用机理具有不同空间尺度和新颖特性的焦场设计与控制，主要针对纵向场增强、新颖动量和角动量；具有新颖角动量聚焦场的力学效应及其在微操纵中的应用。新型光场与物质非线性相互作用的全矢量耦合波理论，尤其关注空间结构光场的时间反演问题。新颖动量和角动量以及纵向场对空间结构光场与微结构材料相互作用的影响。偏振态和位相的空间结构与微结构材料的空间结构相互作用与耦合问题。关键科学问题3：具有新颖动量和角动量的光场与微结构中电子态耦合；空间关联光量子态具有新颖动量和角动量的光场与微结构中电子态耦合的机理，及其动量和角动量守恒等基本物理问题；空间结构光场所具有的新颖偏振态分布特性、新颖角动量和强纵向场，对激发/辐射过程的控制；空间结构光场与微结构相互作用所致的空间关联光量子效应的基本物理问题；空间关联光量子态与微结构材料空间结构的相互作用机理。关键科学问题4：极小空间尺度光场产生的原理与表征技术；极小空间尺度光场与电子态耦合远场极小空间尺度光场生成的新原理与新技术、物理描述、表征技术以及实验构建(包括偏振态、位相与振幅空间分布)。发展远场极小空间尺度光场与小量子体系作用的基本理论。远场极小空间尺度光场对微结构物体和小量子体系的超分辨成像技术。提高近场光学成像系统的效率与空间分辨能力的新原理与新技术。主要研究内容:围绕上述四方面拟解决的关键科学问题，拟深入开展如下四个方面研究。研究内容1:空间结构光场的基本问题、调控机理和制备技术(1)空间结构光场的基本问题和时空演化。揭示光场的空间结构对调控机理和光场特性的影响规律。(2)基于偏振态、位相、振幅以及多参量联合空域调控，制备具有新颖动量和角动量光场的新原理和新技术。(3)创建连续波和飞秒脉冲空间结构光场的新原理与新方案。(4)周期和准周期排布的多奇点空间结构光场的创建与调控的新原理和新技术；对称破缺的空间结构光场的奇特性质和新效应。研究内容2：具有不同空间尺度和新颖特性的焦场及其与微结构相互作用(1)研究空间结构光场的焦场特性和纵向场增强新方案；发展和完善光场空间调控的新颖焦场理论。研究焦场的空间结构对操纵微粒的影响。(2)研究空间结构光场与微结构线性相互作用所致的新现象、新效应和新机理；重点关注光子晶体和metamaterials(包括金属微结构)等微结构。(3)研究空间结构光场与体材料的非线性相互作用，尤其是角动量和纵向场导致的新现象和新效应；重点关注时间反演空间结构光场的新机理。(4)发展空间结构光场与非线性微结构材料相互作用的全矢量耦合波理论；研究偏振态和位相的空间结构与微结构材料空间结构的相互作用。研究内容3：光场与微结构中电子态相互作用的量子效应(1)开展具有新颖动量和角动量的光场与微结构中电子态耦合机理的研究，讨论相互作用过程中动量和角动量守恒等基本物理问题。(2)研究空间结构光场对微结构中光激发和辐射等过程的影响，发现新的量子现象，并讨论其物理机制。(3)完善非线性微结构设计理论，研究空间关联光量子效应，以及空间结构光量子态的基本物理问题。(4)研究空间关联光量子态与微结构材料空间结构的相互作用机理，寻找实现空间关联光量子效应的调控方案。研究内容4：极小空间尺度光场(1)调控光场的偏振态、位相和振幅，寻找实现高耦合效率近场器件的新原理与新方案。(2)基于新原理的远场极小空间尺度光场生成与表征技术，通过偏振态、位相和振幅的控制以及与微结构耦合，制备纳米尺度的远场超衍射极限光场。(3)建立极小空间尺度光场与小量子体系相互作用的基本理论框架，理论和实验研究光场的参量对小量子体系的调控。(4)远场极小空间尺度光场对微结构物体和小量子体系的超分辨成像技术。二、预期目标总体目标:本项目以“光场调控及与微结构相互作用”为重点开展研究。揭示空间结构光场的调控机理；发展描述空间结构光场及其时空演化的基本理论；掌握具有新颖动量和角动量的空间结构光场创建的关键技术；针对不同空间尺度，发展和完善焦场工程的可控技术；建立极小空间尺度光场表征理论和技术；在上述基础上，揭示空间结构光场与微结构线性/非线性相互作用、及其与电子态耦合的新现象、新效应和新机理；研究空间关联光量子态；研制功能量子器件雏形；探讨驱动空间微小目标的机制和可行性；建立和完善超分辨成像技术。期望本项目研究成果为太赫兹波、微波、X射线、电子束和物质波等的调控起到一定的借鉴和推动作用。在科学研究平台、队伍建设及总体水平方面，通过本项目的实施，期望在空间结构光场、及其与微结构的耦合效应调控等方面，探索出一条调控光场的新途径；使得光场调控研究在国际上占有一席之地，在一些方向上达到国际前沿地位。取得一批高水平成果，发表一批具有原创性和重要国际影响的学术论文，掌握自主知识产权的关键技术。培养一支具有高科学素养、开拓精神、创新意识、思维活跃、立足国内量子调控研究领域的科技人才，保证国家量子调控研究的可持续、高水平发展。五年预期目标:(1)阐明光场的空间结构对调控机理和光场特性的影响规律，发展描述空间结构光场及其时空演化的基本理论；建立具有新颖动量和角动量的空间结构光场创建的可控关键技术。(2)发展和完善光场空间调控的焦场理论，提出具有新颖动量、角动量和纵向场的焦场调控方案；建立具有不同空间尺度的连续波和飞秒焦场控制技术；实现空间结构光场对微粒的操控，探索在空间微重力环境下对微小目标的驱动。(3)建立空间结构光场与微结构材料非线性相互作用的全矢量耦合波理论；解决偏振态和位相的空间结构与微结构材料空间结构的相互作用与耦合问题，建立相应的位相匹配条件；发现新现象和新效应，揭示新颖动量、角动量和纵向场参与的非线性相互作用机理。(4)针对具有新颖角动量、纵向场和空变偏振态的新型光场，研究其与微结构相互作用及与电子态耦合的量子效应；探讨空间关联光量子态的基本物理问题；提出在单分子探测和电子操控等应用上的新原理和新方法。(5)建立远场极小空间尺度光场的生成与表征技术；揭示极小空间尺度光场与小量子体系电子态耦合的物理机制；发展具有纳米空间分辨率的远场超分辨成像的新原理和新技术。(6)做出高水平研究成果，在高水平和有影响力的国际学术期刊上发表论文不少于100篇。关注具有原始创新的关键技术的知识产权保护，申请发明专利15项。培育一支在本领域有重要影响的研究队伍，培养博士和硕士生80名。三、研究方案1、学术思路以光场的空域调控、及其与微结构相互作用以及与电子态耦合的调控研究为核心，寻找调控的新原理，发现新效应和新现象，发展新技术。针对光场与微结构相互作用以及与电子态耦合中的关键科学问题，以光场调控为主线，强调理论与实验紧密结合。既注重在具有较深厚积累的研究领域开展深入研究，同时更加注重在现有基础上的拓展研究。本项目关注新现象和新效应的发现、新概念的提出、基本物理模型和理论的建立、基本规律的揭示、基于新原理的关键技术的发展及其潜在应用的尝试。通过对光场偏振态、位相、振幅以及多参量联合的空域调控，创建具有空间结构的、携带新颖动量和角动量的新型空间结构光场。针对空间结构光场的基本问题、调控机理和生成技术，注重空间结构光场的时空演化及其与微结构相互作用，关注空间结构光场的基本物理内涵。在此基础上，选择具有不同空间尺度和新颖特性的可控聚焦场研究为突破口。在空间结构光场与微结构线性和非线性相互作用方面，关注基本物理模型和基本理论框架的建立、新效应和新现象的发现、新概念的提出以及原理性的实验验证。在光场与电子态的耦合方面，注重器件的设计原理与表征，以及远场超分辨成像的实现。更重要的是本项目在保持传统研究优势的同时，注重空间结构光场与微结构作用、与电子态耦合所致量子效应、以及空间关联光量子态的研究，挖掘光的深刻物理内涵。在强调原始创新的同时，重点关注拥有自主知识产权的核心技术，为国家重大需求提供理论支撑和技术储备。研制有特色和自主知识产权的超分辨成像器件。2、技术途径根据研究内容、研究目标和拟解决的关键科学问题，以光场调控为主线，遵循理论与实验紧密结合以及课题之间密切合作的原则。从理论到实验，采取从简单到复杂循序渐进的方式。本着理论研究、实验探索发现、原理器件研制与特性表征相结合的原则，相辅相成、整体提高，最终实现基于新概念、新现象和新效应的量子调控手段，形成有特色的基于空间结构光场的量子调控初步框架。具体技术路线如下：(1)针对空间结构光场。空间结构光场是一类偏振态、位相和振幅具有新颖空间分布特性的光场。通过构建不同的Hopf映射，可以得到满足Maxwell方程、具有不同空间结构的光场。进而，建立空间结构光场的完整电磁描述，揭示其时空演化规律。基于上述物理基础，提出实现空间结构光场的新原理、新方案和新技术；基于多光路波阵面重构和偏振干涉，构建空间结构光场的生成系统。在此基础上，生成多奇点、对称破缺的空间结构光场。(2)针对空间结构光场的焦场工程。基于矢量衍射理论，针对纵向场增强、新颖的动量和角动量调控等，深入研究不同空间尺度聚焦场的奇特性质及实现途径；揭示空间结构对上述焦场特性的调控机制。在理论上，采用矢量衍射理论和FDTD方法研究焦场的空间分布，以及对微粒操控的影响，实现对光力和光扭矩的控制。在实验上，搭建光学微操纵系统，研究新颖的焦场与微粒相互作用的新效应，探讨在空间微重力环境下对微小目标驱动的可行性。(3)针对空间结构光场与微结构的相互作用。建立不同空间尺度光场与微结构线性和非线性相互作用的全矢量耦合波方程，进而采用格林函数和FDTD等算法研究空间结构光场与微结构的线性和非线性效应，尤其关注新颖动量、角动量和纵向场导致的新现象和新效应。用傅立叶分析等方法解决偏振态和位相的空间结构与微结构材料空间结构的相互作用与耦合问题，建立相应的位相匹配条件。特别关注时间反演空间结构光场的新机理。(4)针对量子效应。构建描述空间结构光场与物质相互作用的哈密顿量，利用密度矩阵等方法，研究空间结构光场与微结构中电子态的耦合，揭示相互作用过程中动量和角动量的守恒规律，完善微结构设计理论。以此为基础，研究偏振态分布、新颖角动量和强纵向场对激发/辐射过程的控制，提出单分子探测和电子操控等的新原理和新方法。基于空间结构光场与微结构相互作用中诸如自旋-轨道角动量耦合、几何位相等机制，开展空间关联光量子态与微结构材料空间结构的相互作用机理研究。基于量子双缝等实验，揭示空间关联光量子效应的基本物理问题。(5)针对极小空间尺度光场。在理论上，利用时域和空域相干法，分析极小空间尺度光场的角谱及辐射空间分布，从远场信息还原其空间尺度信息，进而实现表征。在此基础上，采用自适应反馈，建立极小空间尺度光场的控制算法。在实验上，建立适于测量极小空间尺度光场振幅和相位分布的干涉显微系统。利用干涉法提取极小尺度光场的强度和相位分布信息，实现其与空间结构光场的关联，进而创建最优极小空间尺